實時嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計論文

畢業(yè)設(shè)計（論文）第 PAGEII頁畢業(yè)設(shè)計（論文）設(shè)計（論文）題目：實時嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計學生姓名學生學號 專業(yè)班級 指導老師 年5月29日實時嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計摘要隨著微處理器的發(fā)展，種類繁多、價格低廉、結(jié)構(gòu)小巧的CPU和外設(shè)連接，提供了穩(wěn)定、可靠的硬件架構(gòu)?，F(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸在軟件方面，尤其是操作系統(tǒng)的“嵌入式”化。由于Linux源碼的開放性、簡練、多任務(wù)、易移植、成本低等特性，成為諸多研究與應(yīng)用選擇的對象。隨著2.6內(nèi)核的發(fā)布，Linux向現(xiàn)有主流的實時操作系統(tǒng)提出了更大的挑戰(zhàn)，勢必能成為更優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)。本人一直以來都對Linux操作系統(tǒng)很感興趣，并結(jié)合本專業(yè)，對Linux應(yīng)用于嵌入式實時環(huán)境進行了一定的研究。深入探討了面向嵌入式實時環(huán)境的Linux系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。論文首先概述了嵌入式系統(tǒng)及實時系統(tǒng)的發(fā)展情況，然后介紹Linux在實時領(lǐng)域的相關(guān)研究，其次講述了嵌入式Linux系統(tǒng)的構(gòu)造，最后描述了系統(tǒng)測試的策略，并就下一步可繼續(xù)進行的工作進行了展望。關(guān)鍵詞： Linux；進程；實時系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)。

DesignontheKernelofEmbeddedOperatingSystemAbstractWithmicroprocessordevelopment,awiderangeoflowprice,compactstructureoftheCPUandperipheralsandprovideastable,reliablehardwarearchitecture.Embeddedsystemdevelopmentisnowthebottleneckinthesoftware,especiallyoperatingsystems,"embedded"change.Duetotheopen-sourceLinux,concise,multi-task,multi-taskandeasytotransplant,andlowcostcharacteristics,asmanyresearchandapplicationofchoicetarget.Withrelease2.6ofthekernel,Linuxtothemainstreamoftheexistingreal-timeoperatingsystemproviders,thegreaterthechallenge,isboundtobecomemoreoutstandingEmbeddedoperatingsystem.IgotinterestwithLinuxoperatingsystemseveralyearsago.Combinationmyspecialty,ThenIdidsomeresearchforreal-timeLinux.Basedonthesefacts,thisthesisdemonstratesarchitectureandinternalsofLinuxsystemusedonembeddedsystems.Thepaperoutlinedthesystemsandembeddedreal-timesystemdevelopment,Thenreal-timeLinuxinthefieldofresearch,followedbyaboutembeddedLinuxsysteminthestructure,Descriptionofthefinalsystemtestingstrategies,andonthenextstepstocontinuetheworkforward.Keywords：RealTimeSystem,EmbeddedSystem,process,Linux目錄1嵌入式實時系統(tǒng)概況 11.1嵌入式系統(tǒng)概況 11.1.1關(guān)于嵌入式系統(tǒng) 11.1.2嵌入式系統(tǒng)的基本特征 21.1.3典型的嵌入式系統(tǒng) 21.2實時嵌入式系統(tǒng)概況 31.2.1什么是實時嵌入式系統(tǒng) 31.2.2實時嵌入式操作系統(tǒng) 42Linux作為實時系統(tǒng)的分析 62.1Linux內(nèi)核體系結(jié)構(gòu) 62.2Linux進程管理 72.2.1進程描述符 82.2.2進程調(diào)度 132.2.2搶占 162.2.3調(diào)度器的實時性能 183構(gòu)造嵌入式Linux系統(tǒng) 203.1uClinux結(jié)局方案 203.2構(gòu)造潛入式Linux系統(tǒng) 213.2.1構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵問題 213.2.1構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟 243.3uClinux在ARMulator的移植 254測試方案 28總結(jié) 29致謝 30參考文獻 311嵌入式實時系統(tǒng)概況1.1嵌入式系統(tǒng)概況1.1.1關(guān)于嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)在現(xiàn)代人的日常生活中已經(jīng)無處不在（如圖1-1），而且正在越來越深地介入我們的生活、工作甚至娛樂。圖1-1日常生活中的嵌入式系統(tǒng)從幾十年前出現(xiàn)的計算機開始，人們身邊出現(xiàn)了越來越多的嵌入式系統(tǒng)，而Intel公司第一款處理其4004的主要應(yīng)用就是計算器。電話是影響人們生活方式的重要發(fā)明成果之一，作為其核心設(shè)備的存儲程序控制（SPC）電話交換機早在上個世紀中后期就已經(jīng)出現(xiàn)，電話交換機就是一類典型的實時嵌入式系統(tǒng)。除通訊、國防、航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域以外，汽車工業(yè)也是嵌入式系統(tǒng)使用最早的行業(yè)之一。當今的每部中高檔汽車上都至少有幾套甚至幾十套嵌入式系統(tǒng)在協(xié)調(diào)工作，控制著汽車的轉(zhuǎn)向、液壓、制動、空調(diào)、ABS等等一系列功能，其中大多數(shù)都是實時系統(tǒng)。今年來，嵌入式系統(tǒng)以消費電子設(shè)備的形態(tài)大量進入人們的生活：移動電話、數(shù)碼相機、數(shù)字攝像機、游戲機、電子辭典、PDA（PersonalDigitalAssistant，個人數(shù)字助理）、MP3播放器、微波爐、空調(diào)、數(shù)字電視、DVD播放機、傳真機等[1]。Internet是近年來對人們生活方式影響最大的技術(shù)成果。但為大多數(shù)人所忽略的是，Internet實際上是有史以來世界上最大的嵌入式系統(tǒng)集合。Internet上的高端路由器、ATM交換機、以太網(wǎng)交換機、網(wǎng)關(guān)等核心設(shè)備都是實時處理能力很強的嵌入式系統(tǒng)。1.1.2嵌入式系統(tǒng)的基本特征從以上那些耳熟能詳?shù)那度胧皆O(shè)備中（其中某些是實時嵌入式設(shè)備），我們應(yīng)該能感覺到嵌入式系統(tǒng)的一些基本特征：嵌入式系統(tǒng)由智能單元（即微處理器，有時存在多個）控制，因而是計算機系統(tǒng)。但因形態(tài)多樣，多數(shù)情況下此特征為人們所忽略。嵌入式系統(tǒng)所提供的功能通常帶有針對性，大多是專用系統(tǒng)。與桌面系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)一般不對用戶提供再開發(fā)環(huán)境，用戶與系統(tǒng)交互的唯一端口就是系統(tǒng)提供給用戶的最終應(yīng)用。針對某些特殊應(yīng)用，如航天飛機、衛(wèi)星、飛機等，嵌入式系統(tǒng)常常需要很高的可靠性和長時間無人值守的工作能力。這一點對操作系統(tǒng)得要求至關(guān)重要。緊湊性要求明顯（因系統(tǒng)而異）?；诔杀尽Ⅲw積、功耗和性價比等因素考慮，許多嵌入式系統(tǒng)通常不追求高速而功耗大的處理器，采用盡可能少（但夠用）的存儲器。他的軟件（或固件/Firmware）和數(shù)據(jù)通常保存在系統(tǒng)的非易失存儲器上（如Flash）。這些都對操作系統(tǒng)的處理性能和可裁減性有特殊要求。實時性需求。在給定硬件環(huán)境條件下，系統(tǒng)實時性主要依靠操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件保障。1.1.3典型的嵌入式系統(tǒng)信息家電商機引發(fā)全球嵌入式操作系統(tǒng)平臺大戰(zhàn)，全球4大操作系統(tǒng)陣營WinCE、PalmOS、EPOC和Linux展開規(guī)格戰(zhàn)，各擁有軟件及硬件合作廠商逐鹿信息家電市場的份額。微軟窗口操作系統(tǒng)擁有在個人電腦上的操作系統(tǒng)占有率的優(yōu)勢，使WinCE擁有強大的窗口資源支援。不過PalmOS操作系統(tǒng)擁有全球PDA產(chǎn)品70％的市場占有率；同時獲得3COM、IBM和索尼等跨國公司的支持。EPOC是發(fā)展自歐洲的操作系統(tǒng)、是由世界上最大的3家移動電話廠商諾基亞、愛立信和摩托羅拉所共同開發(fā)、整合組成新公司，開發(fā)出來的新操作系統(tǒng)；在3大電話廠商的合作下，EPOC市場潛力很大，且占有率高，但應(yīng)用功能以手機為主，目前并不開放授權(quán)。此外，在3大主流操作系統(tǒng)品牌外，Linux也將是今后一股強勁的力量；由于Linux開放源碼，經(jīng)過這些年的發(fā)展，已經(jīng)成為一個健壯的可靠的高性能的操作系統(tǒng)。愈來愈多的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計員發(fā)現(xiàn)Linux可以成為一個優(yōu)秀的嵌入式操作系統(tǒng)。而Linux的最大的優(yōu)勢還在于它是一個開放的操作系統(tǒng)。由于Linux開放源碼，操作系統(tǒng)的一切對用戶都是透明的，用戶可以最大限度地控制系統(tǒng)開發(fā)的進度和造價。在開發(fā)過程中遇到的各種各樣的硬件設(shè)備，可以方便地在網(wǎng)上找到這些設(shè)備的驅(qū)動程序，得到支持。Linux內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)支持，用戶可以輕松地使自己的嵌入式具有網(wǎng)絡(luò)功能。Linux是模塊化的操作系統(tǒng)，提供了優(yōu)秀的可縮放功能，用戶可以方便地刪除不需要的模塊，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)對操作系統(tǒng)的體積非常敏感，Linux的可以根據(jù)自己的需要，選擇特定的功能模塊，自主地搭建嵌入式操作系統(tǒng)。Linux支持絕大多數(shù)CPU，包括Intel、MIPS、ASIC、ALPHA、68K、POWERPC等。這使Linux幾乎可以嵌入到各種硬件設(shè)備上。成為各家廠商極力發(fā)展的操作系統(tǒng)，加上其核心小，潛力可觀。1.2實時嵌入式系統(tǒng)概況1.2.1什么是實時嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)不都是實時系統(tǒng)。比如掌上電腦、電子辭典等，它們具備嵌入式系統(tǒng)的基本特征，但基本沒有實時性要求。而實時性系統(tǒng)也不都是嵌入式系統(tǒng)。當我們將個人電腦裝上實時操作系統(tǒng)并用于工業(yè)生產(chǎn)線實時控制時，該系統(tǒng)并不具備被嵌入式特征，因此我們可以說實時嵌入式系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)與實時系統(tǒng)的交集（如圖1-2）。但一般而言，嵌入式系統(tǒng)中有相當大的比例是實時系統(tǒng)。[2]圖1-2嵌入式實時系統(tǒng)的邊界與非實時系統(tǒng)不同之處在于，實時系統(tǒng)對外部事件的響應(yīng)有時間要求，即要在給定時間內(nèi)完成事件的識別、處理，并給出正確結(jié)果。外部事件可分為兩類，即同步時間（SynchronousEvents）和異步事件（AsynchronousEvents）。同步事件是周期性的，系統(tǒng)可以預(yù)見下一次同類事件發(fā)生的時刻；異步事件是非周期的，事件發(fā)生的事件不可預(yù)測。實時操作系統(tǒng)必須有能力處理這兩類事件。Deadline是實時系統(tǒng)追求的最重要的指標。但不同的實時系統(tǒng)得Deadline的要求不同，并據(jù)此將實時系統(tǒng)分為兩類：HardReal-time(硬實時)和SoftReal-time(軟實時)。1.2.2實時嵌入式操作系統(tǒng)同樣作為操作系統(tǒng)，實時嵌入式操作系統(tǒng)與通常意義上的操作系統(tǒng)在基本功能方面應(yīng)該是一致的，但必然存在明顯差異。首先，實時嵌入式操作系統(tǒng)負責實時嵌入式系統(tǒng)的所有軟硬件資源的分配、調(diào)度工作、控制和協(xié)調(diào)并發(fā)活動，如任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、同步機制、異常和中段處理、任務(wù)間通信等，具有一般操作系統(tǒng)的基本功能:同時它也必須具有其實時處理和嵌入式系統(tǒng)特征。與通用操作系統(tǒng)相比，實時嵌入式操作系統(tǒng)具有如下一些特點[3]:實時性。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)工作在實時性要求很高的環(huán)境中，對外部事件的響應(yīng)，包括數(shù)據(jù)的獲取、處理和數(shù)據(jù)的輸出都必須在deadline規(guī)定時間內(nèi)完成。這就要求實時嵌入式操作系統(tǒng)必須將實時性作為一個重要指標。小型化、可裁減。嵌入式系統(tǒng)所能提供的資源有限，所以實時嵌入式操作系統(tǒng)必須做得小巧，以滿足前入式系統(tǒng)的硬件限制，同時必須能夠根據(jù)應(yīng)用的要求進行裁減，去除多余的部分，或者簡化相應(yīng)得模塊。強穩(wěn)定性。與桌面系統(tǒng)不同，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行就不需要人過多的干預(yù)。在這種條件下，要求作為系統(tǒng)資源總管的操作系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。固化代碼。在嵌入式系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件代碼通常被固化在嵌入式系統(tǒng)的ROM中。目前輔助存儲器（如磁盤）在嵌入式系統(tǒng)中很少使用，因此，實時嵌入式操作系統(tǒng)的文件管理功能應(yīng)該能夠很容易裁減，取而代之的是各種內(nèi)存文件系統(tǒng)。弱交互性。除消費類電子設(shè)備以外，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的工作過程不需要人的干預(yù)。因此多數(shù)實時嵌入式操作系統(tǒng)所提供給用戶操作的接口相對簡單，主要通過系統(tǒng)調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)。專業(yè)化強。每一種實時嵌入式操作系統(tǒng)通常面向特定類型或幾種相近類型應(yīng)用。某些操作系統(tǒng)會根據(jù)不同的應(yīng)用對象采用不同的模塊搭配。有些操作系統(tǒng)甚至是自行研發(fā)的內(nèi)部產(chǎn)品。值得注意的是，隨著各種各樣的實時嵌入式操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，人們有必要對實時嵌入式系統(tǒng)提供的借口進行約定，從而為嵌入式應(yīng)用軟件的設(shè)計者提供統(tǒng)一的服務(wù)借口，例如POSIX（PortableOperationSystemInterface，可移植操作系統(tǒng)接口）有可移植性和平臺無關(guān)性。[4]通過上面的敘述，我們知道實時性能使評價實時嵌入式操作系統(tǒng)的重要指標，但不是唯一的指標。完善的操作系統(tǒng)應(yīng)提供完善的功能和豐富的開發(fā)工具，如文件管理、設(shè)備支持、網(wǎng)絡(luò)支持、人機交互、GUI、API豐富度、硬件無關(guān)設(shè)計，以及編譯環(huán)境、調(diào)試環(huán)境、多種處理器支持、穩(wěn)定度、可裁減性、可擴充性、開放接口以及維護等諸多方面。而Linux操作系統(tǒng)在這些方面都有相當出色的表現(xiàn)。2Linux作為實時系統(tǒng)的分析Linux可以說是世界上變化最快的操作系統(tǒng)，幾乎每個月都會有新的內(nèi)核升級版本問世，這也是Linux進步如此神速的主要原因。根據(jù)功能不同，Linux內(nèi)核的模塊可基本劃分為進程管理、內(nèi)存管理、網(wǎng)絡(luò)管理、文件系統(tǒng)與進程通信幾部分。實時可靠性是嵌入式應(yīng)用較為普遍的要求,盡管Linux已發(fā)展到2.6版本，但它仍不是一個真正的實時操作系統(tǒng)，但其改進的特性能夠滿足響應(yīng)需求。Linux2.6已經(jīng)在內(nèi)核主體中加入了提高中斷性能和調(diào)度響應(yīng)時間的改進,其中有三個最顯著的改進:采用可搶占內(nèi)核、更加有效的調(diào)度算法以及同步性的提高[5]。2.1Linux內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)Linux內(nèi)核主要由五個子系統(tǒng)組成：進程調(diào)度，內(nèi)存管理，虛擬文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)接口，進程間通信。[6]1進程調(diào)度（SCHED）:控制進程對CPU的訪問。當需要選擇下一個進程運行時，由調(diào)度程序選擇最值得運行的進程。可運行進程實際上是僅等待CPU資源的進程，如果某個進程在等待其它資源，則該進程是不可運行進程。Linux使用了比較簡單的基于優(yōu)先級的進程調(diào)度算法選擇新的進程。2內(nèi)存管理（MM）允許多個進程安全的共享主內(nèi)存區(qū)域。Linux的內(nèi)存管理支持虛擬內(nèi)存，即在計算機中運行的程序，其代碼，數(shù)據(jù)，堆棧的總量可以超過實際內(nèi)存的大小，只是把當前使用的程序塊保留在內(nèi)存中，其余的程序塊則保留在中。必要時，操作系統(tǒng)負責在磁盤和內(nèi)存間交換程序塊。內(nèi)存管理從邏輯上分為無關(guān)部分和硬件有關(guān)部分。硬件無關(guān)部分提供了進程的映射和邏輯內(nèi)存的對換；硬件相關(guān)的部分為內(nèi)存管理硬件提供了虛擬接口[10]。3虛擬文件系統(tǒng)（VirtualFileSystem,VFS）隱藏了各種硬件的具體細節(jié)，為所有的設(shè)備提供了統(tǒng)一的接口，VFS提供了多達數(shù)十種不同的文件系統(tǒng)。虛擬文件系統(tǒng)可以分為邏輯文件系統(tǒng)和設(shè)備程序。邏輯文件系統(tǒng)指Linux所支持的文件系統(tǒng)，如ext2,fat等，設(shè)備驅(qū)動程序指為每一種硬件控制器所編寫的設(shè)備驅(qū)動程序模塊。4網(wǎng)絡(luò)接口（NET）提供了對各種網(wǎng)絡(luò)標準的存取和各種網(wǎng)絡(luò)硬件的支持。網(wǎng)絡(luò)接口可分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議部分負責實現(xiàn)每一種可能的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序負責與硬件設(shè)備通訊，每一種可能的硬件設(shè)備都有相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。5進程間通訊(IPC)支持進程間各種通信機制。圖2-1Linux內(nèi)核的五個子系統(tǒng)如圖2-1處于中心位置的進程調(diào)度，所有其它的子系統(tǒng)都依賴它，因為每個子系統(tǒng)都需要掛起或恢復進程。一般情況下，當一個進程等待硬件操作完成時，它被掛起；當操作真正完成時，進程被恢復執(zhí)行。例如，當一個進程通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一條消息時，網(wǎng)絡(luò)接口需要掛起發(fā)送進程，直到硬件成功地完成消息的發(fā)送，當消息被成功的發(fā)送出去以后，網(wǎng)絡(luò)接口給進程返回一個代碼，表示操作的成功或失敗。其他子系統(tǒng)以相似的理由依賴于進程調(diào)度。2.2Linux進程管理如果說操作系統(tǒng)是開發(fā)者所依賴的框架，那么，進程就是由這個框架所承擔和管理的基本或從單元。進程是一個動態(tài)的實用系統(tǒng)資源、處于活動狀態(tài)的程序。Linux是一個多任務(wù)操作程序，程序調(diào)度器使用合適的調(diào)用算法來調(diào)用進程。Linux進程管理由進程控制塊、進程調(diào)度、中斷處理、任務(wù)隊列、定時器、bottomhalf隊列、系統(tǒng)調(diào)用、進程通信等部分組成。[7]一個程序可啟動多次，它的每個運行副本都有自己的進程。進程的生命周期分為進程的產(chǎn)生、執(zhí)行和結(jié)束三個部分。2.2.1進程描述符在內(nèi)核中，進程描述符是一個名為task_struct的結(jié)構(gòu)體，用于保存進程的屬性和其他信息，我們可以在這個結(jié)構(gòu)體中找到與進程有關(guān)的所有內(nèi)核信息。在其生命周期內(nèi)，進程要與內(nèi)核的方方面面，“諸如內(nèi)存管理和調(diào)度”等打交道，因此，除了UNIX進程的標準屬性外，進程描述符也保存了在上述交互過程中的相關(guān)信息。內(nèi)核用循環(huán)雙向鏈表task_list存放所有進程描述符，同時借助全局變量current保存當前運行進程的task_struct。數(shù)組task包含指向系統(tǒng)中所有task_struct結(jié)構(gòu)的指針。系統(tǒng)中的最大進程數(shù)目受task數(shù)組大小的限制，默認值一般為512。創(chuàng)建新進程時，Linux將從系統(tǒng)內(nèi)存中分配一個task_struct結(jié)構(gòu)，并將其加入task數(shù)組。操作系統(tǒng)初始化后，建立init進程，它創(chuàng)建第一個task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)INIT_TASK。當前運行進程的結(jié)構(gòu)用current指針來表示。在進程生命周期中，進程描述符必須保存的信息的類型有[8]：進程的屬性進程間的關(guān)系進程的內(nèi)存空間文件管理信號量管理進程的可信度資源限制與調(diào)度相關(guān)的域下面我們來了解一些Task_struct結(jié)構(gòu)中與嵌入式開發(fā)相關(guān)的域。進程狀態(tài)（volatilelongstate）進程狀態(tài)定義有如下幾種：//正在運行的進程或在Running隊列中準備運行的進程#defineTASK_RUNNING 0//處于等待隊列中的進程，等資源有效時喚醒進入就緒隊列run-queue#defineTASK_INTERRUPTIBLE 1//處于等待隊列中的進程，等資源有效時喚醒，但不可被其他進程中斷#defineTASK_UNINTERRUPTIBLE 2//進程暫停，通過其他進程才能喚醒#defineTASK_STOPPED 4//進程已經(jīng)被殺死，但父進程還沒有調(diào)用sys_wait()#defineTASK_ZOMBIE 8//僵死狀態(tài)的進程，進程已經(jīng)結(jié)束運行且釋放大部分資源，但未釋放其進程塊#defineTASK_DEAD 16進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2-2所示，用戶進程由do_fork()函數(shù)創(chuàng)建，它也是fork系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行者。do_fork()創(chuàng)建一個新的進程，繼承父進程現(xiàn)有資源，初始化進程時鐘、信號、時間等數(shù)據(jù)。完成子進程初始化后，父進程將它掛到就緒隊列run-queue，返回子進程的pid。圖2.2Linux進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖進程創(chuàng)建時的狀態(tài)為TASK_UNINTERRUPTIBLE，在do_fork()結(jié)束前被父進程喚醒后，變?yōu)門ASK_RUNNING。處于TASK_RUNNING狀態(tài)的進程被移到run-queue隊列中，在適當時候由schedule()按CPU調(diào)度算法選中，獲得CPU。獲得CPU而正在運行的進程若申請不到某個資源，則調(diào)用sleep_on()或interruptible_sleep_on()睡眠，其task_struct掛到相應(yīng)的waitqueue。如果調(diào)用sleep_on()睡眠，則其狀態(tài)變?yōu)門ASK_UNINTERRUPTIBLE?；蛘撸绻{(diào)用interruptible_sleep_on()睡眠，則其狀態(tài)變?yōu)門ASK_INTERRUPTIBLE。sleep_on()或interruptible_sleep_on()將調(diào)用schedule()函數(shù)把睡眠進程釋放的CPU分配給run-queue隊列的某個就緒進程。狀態(tài)為TASK_INTERRUPTIBLE的睡眠進程當它申請的資源有效時被喚醒（如wake_up_interruptible()），也可以由信號(signal)或定時中斷喚醒。而狀態(tài)為TASK_UNINTERRUPTIBLE的睡眠進程只有當它申請的資源有效時被喚醒（如wake_up()），不能被信號(signal)、定時中斷喚醒。喚醒后，進程狀態(tài)改為TASK_RUNNING，并進入run-queue隊列。進程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用sys_exit()或收到SIG_KILL信號而調(diào)用do_exit()時，進程狀態(tài)變?yōu)門ASK_ZOMBIE，釋放所申請資源。同時啟動schedule()把CPU分配給run-queue隊列中其它就緒進程。若進程通過系統(tǒng)調(diào)用設(shè)置PF_SYSTRACE，則在系統(tǒng)調(diào)用返回前，進入syscall_trace()，狀態(tài)變?yōu)門ASK_STOPPED，CPU分配給run-queue隊列中其它就緒進程。只有通過其它進程發(fā)送SIG_KILL或SIG_CONT，才能把TASK_STOPPED進程喚醒。重新進入run-queue隊列。進程優(yōu)先級

intprio，優(yōu)先級，在0～(MAX_PRIO)-1之間取值（MAX_PRIO定義為140），其中0～(MAX_RT_PRIO)-1(MAX_RT_PRIO定義為100)屬于實時進程范圍。在內(nèi)核2.6版本中，動態(tài)優(yōu)先級獨立計算，通過priority_array結(jié)構(gòu)按優(yōu)先級排序，存儲在進程的task_struct中。

intstatic_prio，靜態(tài)優(yōu)先級，與Linux2.4的nice值意義相同，但轉(zhuǎn)換到與prio相同的取值區(qū)間。nice值沿用Linux的傳統(tǒng)，在-20～19之間變動，數(shù)值越大，進程的優(yōu)先級越低。nice是用戶可維護的，但僅影響非實時進程的優(yōu)先級。Linux2.6內(nèi)核中不再存儲nice值，而代之以static_prio。進程初始時間片的大小僅取決于進程的靜態(tài)優(yōu)先級，這一點無論是實時進程還是非實時進程都一樣，不過實時進程的static_prio不參與優(yōu)先級計算。

nice與static_prio之間的關(guān)系如下：

static_prio=MAX_RT_PRIO+nice+20prio_array_t*array

它是優(yōu)先級數(shù)組，它將進程優(yōu)先級為序號組成數(shù)組。它也是runqueue結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。實時優(yōu)先級

rt_priority給出實時進程的優(yōu)先級，而rt_priority+1000則表示每次獲得CPU后，可使用的時間（按jiffy計算）。實時進程的優(yōu)先級可通過系統(tǒng)調(diào)用sys_sched_setschedule()改變，實際的工作是由setscheduler()完成得。

在Linux2.6內(nèi)核中，候選進程是直接按算法排序的優(yōu)先級隊列數(shù)組中選取出來的，而優(yōu)先級的計算分散到多出進行。進程在適當?shù)臅r機就會計算動態(tài)優(yōu)先級。同時，影響動態(tài)優(yōu)先級的因素集中反映在sleep_avg變量上。只要進程狀態(tài)發(fā)生改變，內(nèi)核就有可能計算并設(shè)置進程的動態(tài)優(yōu)先級。activated

activated表示進程由于某種原因進入就緒態(tài)，這一原因會影響到調(diào)度優(yōu)先級的計算。activated有四個值：-1，進程從TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)被喚醒0，默認值，進程原本就處于就緒態(tài)1，進程從TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)被喚醒，且不在中斷上下文中2，進程從TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)被喚醒，且在中斷上下文中activated初值為0，在兩個地方修改：一個是在schedule()中，被恢復為0；另一個就是activate_task()，這個函數(shù)由try_to_wake_up()函數(shù)調(diào)用，用于激活休眠狀態(tài)。sleep_avg

進程的平均等待時間（以nanosecond為計算單位），在0到NS_MAX_SLEEP_AVG之間取值，初值為0，相當于進程等待時間與運行時間的差值。sleep_avg所代表的含義比較豐富，既可用于評價該進程的“交互程度”，又可用于表示該進程需要運行的緊迫度。這個值是動態(tài)優(yōu)先級計算的關(guān)鍵因子，sleep_avg越大，計算出來的進程優(yōu)先級也越高（數(shù)值越?。?。

sleep_avg反映了調(diào)度系統(tǒng)的兩種策略：交互式進程優(yōu)先與分時系統(tǒng)的公平共享。time_slice

time_slice變量表示進程的運行時間片剩余大小。進程默認時間片與進程的靜態(tài)優(yōu)先級相關(guān)。在進程創(chuàng)建時，它與父進程平分時間片，在運行過程中遞減，一旦歸零，則按static_prio靜態(tài)優(yōu)先級值重新賦予基準值，并請求調(diào)度。時間片的遞減和重置在時鐘中斷中進行(scheduler_tick())，除此之外，time_slice值主要在進程創(chuàng)建和進程退出的過程中變化。policy

policy可以決定進程的類型，不同類型的進程運行時的調(diào)度策略也不同（例如，分時進程和實時進程的調(diào)度策略不同）。進程的類型及大影響到其調(diào)度優(yōu)先級。2.2.2進程調(diào)度在linux2.6中，采用O（1）調(diào)度算法，調(diào)度器開銷恒定，與當前系統(tǒng)負載無關(guān)，實時性能更好。Linux2.4中的就緒隊列是一個簡單的以runqueue_head為頭的雙向鏈表，而在Linux2.6中，每個CPU都將維護一個自己的runqueue結(jié)構(gòu)的就緒隊列，這將大大減少競爭。每個CPU的就緒隊列按時間片是否用完分為兩部分，分別通過active指針和expired指針訪問。[9]Acrive指向時間片沒有用完的、當前可被調(diào)度的就緒進程；expired指向時間片已經(jīng)用完的就緒進程。active中的進程一旦用完了自己的時間片，就被轉(zhuǎn)移到expired中，并設(shè)置好新的初始時間片；而當actived為空時，則表示當前所有進程的時間片都消耗完了，此時，active和expired進行一次對調(diào)，重新開始下一輪的時間片遞減過程。而runqueue就是調(diào)度程序操作的對象。進程在初始化并放入運行隊列后，在某個時刻，它應(yīng)該獲得對CPU的訪問。負責把CPU的控制權(quán)傳遞到不同的兩個函數(shù)是schedule()和scheduler_tick()。scheduler_tick()是一個由內(nèi)核周期性調(diào)用的系統(tǒng)定時器，它把進程標記為需重新調(diào)度。一般定時事件發(fā)生時，當前的進程就被保存起來，Linux內(nèi)核接管對CPU的控制，而當定時事件完成后，Linux內(nèi)核通常把控制權(quán)傳回被保存的進程。然而，當所保存的進程被標記成需重新調(diào)度時，并不一定選擇內(nèi)核接管控制前正在執(zhí)行的那個進程，而是內(nèi)核調(diào)用schedule()來選擇需要激活哪一個進程。圖2-3調(diào)度過程圖2-3說明隨著時間的推移，如何在不同的進程之間傳遞CPU。我們看到，進程A最先擁有CPU的控制權(quán)并正在執(zhí)行。系統(tǒng)定時scheduler_tick()執(zhí)行，從A獲取對CPU的控制權(quán)，此時scheduler_tick()把A標記為需要重新調(diào)度。Linux內(nèi)核調(diào)用scheduler()，scheduler()選擇進程B，因此CPU的控制權(quán)被交給B。進程B執(zhí)行一會兒，然后自動放棄CPU。這通常發(fā)生在進程等待資源的時候。進程B調(diào)用scheduler()，scheduler()選擇進程C繼續(xù)執(zhí)行。進程C執(zhí)行，直到scheduler_tick()發(fā)生，scheduler_tick()不把進程C標記為需要調(diào)度。這導致了scheduler()不被調(diào)用，因此，進程C再次獲得CPU的控制權(quán)。通過調(diào)用scheduler()，進程C放棄CPU，scheduler()決定進程A應(yīng)該獲得CPU的控制權(quán)，進程A再次開始執(zhí)行。我們首先分析scheduler()，Linux內(nèi)核利用它決定哪個進程接下來要執(zhí)行，然后，在分析scheduler_tick()，內(nèi)核利用它決定哪個進程必須讓出CPU。這兩個函數(shù)組合的結(jié)果說明了調(diào)度程序的控制流程[10]。函數(shù)schedule分析在include/Linux/sched.h中有調(diào)度策略定義如圖2-4：圖2-4Linux進程狀態(tài)定義策略進程的task_struct結(jié)構(gòu)中成員policy是進程的調(diào)度策略，它的值為上述三種策略之一，進程分為實時進程和普通進程，實時進程優(yōu)先于普通進程運行。rt_priority是實時進程的優(yōu)先級，它比普通進程的priority高。當系統(tǒng)中有一個實時進程運行時，則SCHED_NORMAL進程不能在任何CPU運行，只有root用戶能夠用系統(tǒng)調(diào)用sched_setscheduler來修改當前進程的優(yōu)先級。[10]函數(shù)schedule的功能是選擇一個合適的進程在CPU上運行，它的基本流程分為五個操作步驟：清理當前運行中的進程。選擇下一個投入運行的進程。設(shè)置新進程的運行環(huán)境執(zhí)行進程上下文切換。后期處理。進程調(diào)度有直接啟動調(diào)度和被動啟動調(diào)動兩種方式，在不同的方式下調(diào)度執(zhí)行的步驟是不一樣的。直接啟動調(diào)度

直接啟動調(diào)度發(fā)生在當前進程因等待資源而需要進入被阻塞狀態(tài)時，調(diào)度程序執(zhí)行的步驟如下：把當前進程（全局變量current指向task_struct變量）放到適當?shù)牡却犃欣铮话旬斍斑M程的state設(shè)為TASK_INTERRUPTIBLE或TASK_UNINTERRUPTIBLE調(diào)用schedule()，準備讓新的進程掌握CPU；檢查當前進程所需的資源是否可用，如果是，則把當前進程從等待隊列里刪除，否則會到步驟b被動調(diào)度

通過在當前進程的need_resched設(shè)為1來實現(xiàn)被動調(diào)度，每次調(diào)入一個用戶太進程之前，這個變量的值都會被檢查，來決定是否調(diào)用函數(shù)schedule（）來實現(xiàn)調(diào)度。具體執(zhí)行方式為：當當前進程用完了它的CPU時間片，update_process_times()重新進行計算。當一個進程被喚醒，而且他的優(yōu)先級比當前進程高。Wake_up_process()調(diào)用reschedule_idle()，設(shè)置當前進程的need_resched，使被喚醒的進程盡快掌握CPU當sched_setscheduler()或sched_yield()系統(tǒng)調(diào)用被調(diào)用的進程函數(shù)scheduler_tick分析通過調(diào)用schedule（）可使進程自動放棄CPU。在向要睡眠或等待信號發(fā)生的內(nèi)核代碼及設(shè)備驅(qū)動中。這個函數(shù)用得非常普遍。若其他進程想要連續(xù)的使用CPU，系統(tǒng)定時器必須告訴它們讓出CPU。Linux內(nèi)核定時地奪取CPU，然后執(zhí)行基于定時器的許多任務(wù)。其中，這些任務(wù)之一就是scheduler_tick()，它是內(nèi)核強迫一個進程放棄CPU的函數(shù)。首先scheduler_tick先收集CPU的統(tǒng)計，然后查看當前進程是否不再活躍。如果進程已經(jīng)過期，調(diào)度程序設(shè)置進程的重新調(diào)度標志，并跳轉(zhuǎn)到scheduler_tick()函數(shù)的結(jié)尾。如果得知當前進程正在運行，調(diào)度程序就先為剝奪CPU控制權(quán)而申請運行隊列鎖。先考慮最簡單的情況。如果當前進程是實時進程，由于實時進程總是擁有比其他任何進程都搞得優(yōu)先級，當該進程是FIFO進程并且正在運行，進程應(yīng)該繼續(xù)它的操作，因此，我們跳轉(zhuǎn)到函數(shù)的末尾并釋放運行隊列鎖。如果當前進程是時間片輪轉(zhuǎn)實時進程，我們就減小其時間片，然后調(diào)度另一個輪轉(zhuǎn)實時進程，當前進程通過task_timeslice()計算其新的時間按片，最后通過從運行隊列的活躍數(shù)組刪除進程并把其添加回活躍數(shù)組，進程被放到輪轉(zhuǎn)實時進程鏈表的末尾，最后釋放運行隊列鎖。通過了上面的嘗試，如果調(diào)度程序發(fā)現(xiàn)當前并非實時進程。它減小進程的時間片，如果時間片被耗盡。調(diào)度程序從活躍數(shù)組刪除進程并設(shè)置它的需要重新調(diào)度標志。重新計算進程的優(yōu)先級并重置它的時間片。最后一種情況，就是進程正在運行并且還有剩余時間片可運行。調(diào)度程序必須確保擁有大時間片的進程不會獨占CPU。如果進程是交互式的，擁有多余TIMESLICE_GRANULARITY的時間片，而且是活躍的，調(diào)度程序就將它從活躍隊列中刪除。然后，重新調(diào)度標志置位，重新計算它的優(yōu)先級后被放回運行隊列的活躍數(shù)組，這確保了擁有大時間片的某個優(yōu)先權(quán)的進程不會餓死同等優(yōu)先權(quán)的其它進程。2.2.2搶占搶占指一個進程到另一個進程的切換。前面介紹了schedule()和scheduler_tick()是如何決定接下來要切換哪一個進程的，但沒有提及Linux內(nèi)核是如何決定何時進行切換的。2.6內(nèi)核引入了內(nèi)核搶占，這意味著用戶空間的程序和內(nèi)核空間的程序能夠在各種時刻被切換。下面將從顯式和隱式分別對內(nèi)核與用戶搶占進行描述。[11]顯式內(nèi)核搶占這種情況發(fā)生內(nèi)核調(diào)用schedule()時的內(nèi)核空間，內(nèi)核代碼可以用兩種方式調(diào)用schedule()：直接調(diào)用schedule()或者通過阻塞調(diào)用。當顯式地搶占內(nèi)核時，例如，在wait_queue等待隊列中設(shè)備驅(qū)動程序在等待時，控制權(quán)被簡單地傳遞到調(diào)度程序，從而新的進程被選中執(zhí)行。隱式用戶搶占當內(nèi)核處理完內(nèi)核空間的進程并準備把控制權(quán)傳遞到用戶空間的進程時，它首先查看應(yīng)該把控制權(quán)傳遞到哪一個用戶空間的進程。而這個進程也許不是傳遞其控制權(quán)到內(nèi)核的那個用戶空間進程。例如，如果進程A調(diào)用了系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用完成之后，內(nèi)核可能把系統(tǒng)的控制權(quán)傳遞給進程B。出現(xiàn)這種情況的主要原因是系統(tǒng)中的每一個進程有一個“必須重新調(diào)度”標志，在進程應(yīng)該被重新調(diào)度的任何時候設(shè)置它。當內(nèi)核正在向用戶空間返回時，如同schedule()和scheduler_tick()中描述的那樣，它選擇一個進程，并把控制權(quán)傳遞給該進程。盡管scheduler_tick()能夠把進程標記為需要重新調(diào)度，但是只有schedule()能夠?qū)@個標記進行操作。schedule()反復選擇一個新進程來執(zhí)行，直到新選擇的進程不需要被重新調(diào)度。schedule()完成后，新進程擁有對CPU的控制權(quán)。因此，當進程正在運行時，系統(tǒng)定時器引起一個觸發(fā)scheduler_tick()的中斷。scheduler_tick()能夠標記哪個任務(wù)需要重新調(diào)度，并能把它移動至到期數(shù)組。在內(nèi)核操作完成之后，scheduler_tick()的后面可能緊接著其他中斷，內(nèi)核將繼續(xù)擁有對處理器的控制權(quán)。調(diào)用schedule()選擇下一個要運行的進程。這樣看來，scheduler_tick()標記進程并重排隊列，而schedule()選擇下一個進程并傳遞CPU的控制權(quán)。隱式內(nèi)核搶占Linux2.6中新增了隱式內(nèi)核搶占的實現(xiàn)。當一個內(nèi)核進程擁有對CPU的控制權(quán)時，僅當其當前沒有持有任何鎖時，這個內(nèi)核進程才能被另一個內(nèi)核進程所搶占。每個進程有一個域preempt_count，它標記進程是否可以搶占。每當進程獲得一個鎖時，則該計數(shù)增加，每當進程釋放一個鎖時減少。當一個進程仍然有一個正的preempt_count值，就把CPU控制權(quán)返回給當前進程。如果當前進程沒有鎖，因為preempt_count是0且中斷請求是激活的，這樣該進程就可能會被搶占。[10]2.2.3調(diào)度器的實時性能Linux2.6對實時性能的改進

Linux2.6內(nèi)核調(diào)度系統(tǒng)對調(diào)度的實時性作了改進，它體現(xiàn)了內(nèi)核搶占和O(1)調(diào)度，這加快了實時進程的響應(yīng)。但Linux2.6調(diào)度系統(tǒng)僅提供了對CPU資源的剝奪能力，因此它的實時性并沒有得到根本改觀。所以Linux2.6只能作為軟實時操作系統(tǒng)。實時進程的優(yōu)先級

在Linux2.4中，實時進程的優(yōu)先級通過rt_priority值表示，與非實時進程不同。Linux2.6在靜態(tài)優(yōu)先級之外引入了動態(tài)優(yōu)先級屬性，并用它同時表示實時進程和非實時進程的優(yōu)先級。進程的靜態(tài)優(yōu)先級是計算進程初始時間片的基礎(chǔ)，動態(tài)優(yōu)先級則決定了進程的實際調(diào)度優(yōu)先順序。因為實時進程的動態(tài)優(yōu)先級在setscheduler()中設(shè)置，并不隨進程的運行而改變。所以實時進程的靜態(tài)優(yōu)先級僅用于計算時間片，而動態(tài)優(yōu)先級則相當于靜態(tài)。實時調(diào)度

linux2.4種的SCHED_RR和SCHED_FIFO兩種實時調(diào)度策略在Linux2.6中未做改變，兩類實時進程都回保持在active就緒隊列中運行，只是因為Linux2.6內(nèi)核是可搶占的，實時進程（特別是核心級的實時進程）更能迅速地對環(huán)境的改變（比如出現(xiàn)更高優(yōu)先級進程）作出反應(yīng)。[11]3構(gòu)造嵌入式Linux系統(tǒng)Linux作為一種通用操作系統(tǒng)，其最初的設(shè)計是用于桌面系統(tǒng)或者小型服務(wù)器。在將Linux用于嵌入式系統(tǒng)中時，由于受到嵌入式軟/硬件環(huán)境的制約，需要對Linux內(nèi)核做一些改進，使它能更好地為嵌入式系統(tǒng)服務(wù)。在這些改進中，進程管理是相當重要的一環(huán)。從芯片到外圍電路再到人機接口，嵌入式系統(tǒng)的這些硬件設(shè)備與普通PC是截然不同的。由于降低成本和功耗，嵌入式系統(tǒng)CPU可能不帶MMU（存儲器管理單元），使用的存儲設(shè)備ROM、Flash及RAM的容量較小，這些因素決定了須改變Linux進程管理，以適應(yīng)存儲系統(tǒng)方面的變化。[11]3.1uClinux結(jié)局方案Lineo公司的uClinux就是專門針對無MMU處理器的嵌入式設(shè)備的Linux變種。由于uClinux沒有MMU，在實現(xiàn)多進程時（fork調(diào)用產(chǎn)生子進程）須實現(xiàn)數(shù)據(jù)保護。由于uClinux的多進程管理是通過vfork來實現(xiàn)的，因此fork等于vfork。這意味著uClinux系統(tǒng)fork調(diào)用完成后，或者子進程代替父進程執(zhí)行（此時父進程已經(jīng)sleep），直到子進程調(diào)用exit推出；或者調(diào)用exec執(zhí)行一個新進程，此時將產(chǎn)生執(zhí)行文件加載，即使這個進程只是父進程的拷貝，這個過程也是不可避免的。當子進程執(zhí)行exit或exec后，子進程使用wakeup把父進程喚醒，使父進程繼續(xù)往下執(zhí)行。uClinux的這種多進程實現(xiàn)機制與它的內(nèi)存管理緊密相關(guān)。uClinux針對沒有MMU的處理器開發(fā)，所以須使用一種flat方式的內(nèi)存管理模式。在啟動新的應(yīng)用程序時，系統(tǒng)必須為應(yīng)用程序分配存儲空間。uClinux本身并沒于關(guān)注實時問題，它并不時為了Linux的實時性而提出的。因此若將uClinux用于實時性要求較高的場合，則需要對其內(nèi)核做必要的改進。嵌入式Linux的另一個版本RT-Linux關(guān)注實時問題。RT-linux把普通Linux的內(nèi)核當成一個任務(wù)運行，同時還管理了實時進程，而非實時進程則交給普通Linux內(nèi)核處理。這種方法已廣泛應(yīng)用于增強操作系統(tǒng)得實時性，包括一些商業(yè)版Unix系統(tǒng)和WindowNT等等。這種方法的優(yōu)點是：實現(xiàn)簡單，且實時性能容易檢驗；非實時系統(tǒng)運行于標準Linux系統(tǒng)，與其他Linux商用版本之間保持了很好的兼容性；可支持硬實時時鐘的應(yīng)用。uClinux可使用RT-linux的patch，從而增強uClinux的實時性，使得uClinux可應(yīng)用于工業(yè)標準、進程控制等一些實時要求較高的場合。在普通PC中，外部存儲介質(zhì)一般都是使用IDE硬盤等傳統(tǒng)的外存設(shè)備；而在嵌入式系統(tǒng)中，各種特殊應(yīng)用目的對存儲設(shè)備提出了各種各樣的要求，所以在不同的場合，需要因地制宜地選擇存儲設(shè)備。目前，F(xiàn)lash存儲設(shè)備由于其安全性高，存儲密度大，體積小，價格相對低廉，成為嵌入式領(lǐng)域中最受歡迎的一類存儲器。在嵌入式系統(tǒng)中使用Flash存儲器，可只進行只讀訪問，再將內(nèi)核與文件系統(tǒng)寫到Flash上之后，不需要再對Flash進行寫操作。在這種情況下，只需要將Flash作為普通ROM來使用，或輔以romfs和cramfs等，即可滿足要求。在運行時，系統(tǒng)會把需要操作的文件和目錄提取到內(nèi)存中進行操作。由于不能再Flash上寫數(shù)據(jù)，所以運行時的欣喜都不可保存于Flash存儲設(shè)備中。所以對Flash存儲設(shè)備的管理非常簡單，與普通的ROM沒有什么區(qū)別。uClinux系統(tǒng)采用romfs(romfilesystem)文件系統(tǒng)。Romfs是一種只讀文件系統(tǒng)。起初，設(shè)計它的目的是在啟動盤等場合下，提供一個比普通文件系統(tǒng)（如功能強大的ext2）更加節(jié)省空間的文件系統(tǒng)?？臻g的節(jié)省來自于兩個方面：首先，內(nèi)核支持romfs文件系統(tǒng)比支持ext2文件系統(tǒng)需要更少的代碼；其次，romfs文件系統(tǒng)相對簡單，在建立文件系統(tǒng)超級塊（Superglock）時，需要更少的存儲空間。romfs文件系統(tǒng)不支持動態(tài)擦寫保存，對于系統(tǒng)需要動態(tài)保存的數(shù)據(jù)，可采用虛擬RAM盤的方法處理（RAM盤將采用ext2文件系統(tǒng)）。3.2構(gòu)造潛入式Linux系統(tǒng)3.2.1構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)的幾個關(guān)鍵問題一個小型的嵌入式Linux系統(tǒng)需要具備3個基本元素：引導工具、Linux微內(nèi)核（由內(nèi)存管理、進程管理和實物處理構(gòu)成）及初始化進程。若想讓它做些什么且繼續(xù)保持小型化，還須具備：硬件驅(qū)動程序，提供所需要功能的一個或多個應(yīng)用程序。若需要增加功能，或許需要：一個文件系統(tǒng)（也許在ROM或RAM中）、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧及一個磁盤，用于存放半易失數(shù)據(jù)和提供交換能力。由此可見，構(gòu)造一個嵌入式Linux系統(tǒng)，關(guān)鍵是解決以下幾個問題。如何引導

當一個微處理器第一次啟動時，它開始在預(yù)先設(shè)置的地址上執(zhí)行指令。通常在那里有一些只讀內(nèi)存，包括初始化或引導代碼。在PC上，這就是BIOS。BIOS首先執(zhí)行一些低水平的CPU初始化其他硬件的配置，接著辨認哪個磁盤里有操作系統(tǒng)，把操作系統(tǒng)復制到RAM，并且轉(zhuǎn)向它。在PC上運行的Linux就是依靠PC的BIOS來提供相關(guān)配置和加載OS功能的。

在一個嵌入式系統(tǒng)中，處于經(jīng)濟性、價格方面的考慮，通常沒有BIOS。這就需要開發(fā)者自行提供完成這些工作所需要的程序，這就是所需要的開機啟動代碼。幸運的是，潛入式系統(tǒng)的啟動代碼不需要像PCBIOS引導程序那樣靈活，因為它通常只須處理一些硬件的配置。因此啟動代碼只是一個指令清單，將固定的數(shù)字賽到硬件的寄存器中去。這個代碼很簡單，也很枯燥，然而卻非常關(guān)鍵，因此這些數(shù)值要與硬件相符，而且要按照指定的順序進行。嵌入式系統(tǒng)中啟動代碼通常放在Flash或EPROM芯片上。具體如何實現(xiàn)，要根據(jù)目標硬件和工具來定。一種常用的方法是，把Flash或EPROM芯片插入EPROM或Flash燒制器，把啟動代碼燒入芯片，然后將芯片插入目標板插座，這種方法要求目標上配有插座。另一種方法是通過JTAG界面，一些芯片有JTAG界面，可用來對芯片進行進行編程，這樣芯片就可以被焊在主板上。是否需要虛擬內(nèi)存

標準Linux采用虛擬存儲器技術(shù)來管理內(nèi)存，其優(yōu)點是提供了比計算機系統(tǒng)實際物理內(nèi)存大得多的內(nèi)存空間。這樣編程人員在編程時，勿需考慮計算機中物理內(nèi)存的實際容量。當然它也存在缺點，虛擬內(nèi)存管理需要通過內(nèi)存管理單元MMU將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。其中的地址轉(zhuǎn)換表和其他一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)占據(jù)了內(nèi)存空間，這樣留給編程人員的內(nèi)存空間就減少了；同時地址轉(zhuǎn)換增加了每一條指令的執(zhí)行時間。

在嵌入式系統(tǒng)中，虛擬內(nèi)存管理并無用武之地；同時在嵌入式實時系統(tǒng)中，它可能會帶來無法控制的時間問題。但明智的做法并不是消除內(nèi)核中的虛擬內(nèi)存代碼，基于兩點原因：一是消除它很費事；二是它支持共享代碼，多個進程可以共享某一軟件的同一拷貝。因此，可保留這段代碼，同時只需將交換空間的大小簡單地設(shè)置為零，就可以關(guān)掉虛擬內(nèi)存的調(diào)用功能。此后，如果用戶寫的程序比實際內(nèi)存大，系統(tǒng)就會當作用盡了交換空間來處理。這個程序?qū)⒉粫\行，或者malloc將會失靈。文件系統(tǒng)選擇

許多嵌入式系統(tǒng)沒有磁盤或者文件系統(tǒng)，Linux不需要它們也能運行。這種情況下，應(yīng)用程序任務(wù)可與內(nèi)核一起編寫，并且在引導時作為一個映像加載。對于簡單的系統(tǒng)來說，這足夠了，但缺乏靈活性。實際上，許多商業(yè)性嵌入式操作系統(tǒng)提供文件系統(tǒng)作為選項。Linux提供MS-DOS-Compatible以及其他功能更強大的文家年系統(tǒng)。

文件系統(tǒng)可放在傳統(tǒng)的磁盤驅(qū)動器、FlashMemory或其他類似的介質(zhì)上。如果用于暫時保存文件，一個小RAM盤就足夠了，F(xiàn)lashMemory通常是這樣保存文件系統(tǒng)的：FlashMemory杯分割成塊，其中有一塊是黨CPU啟動運行時的引導塊，里面存放Linux引導代碼，剩余的Flash可用作文件系統(tǒng)。Linux內(nèi)核有兩種加載方式：一是把內(nèi)核的可執(zhí)行映像存儲到Flash的一個獨立部分，系統(tǒng)啟動時，從Flash的某個地址開始逐句執(zhí)行；另一種方式是把內(nèi)核的壓縮文件放在Flash上，系統(tǒng)啟動時通過引導代碼把內(nèi)核壓縮文件從Flash復制到RAM里，解壓執(zhí)行。因為RAM的存取速度高于Flash，所以后一種方式的運行速度更高一些，標準Linux就是采用這種方式。消除潛入式Linux系統(tǒng)對磁盤的依賴

標準Linux內(nèi)核通常主流在內(nèi)存中，每一個應(yīng)用程序都是從磁盤運行到內(nèi)存上執(zhí)行。當程序結(jié)束后，它所占的內(nèi)存被釋放，程序就被卸載了。在一個嵌入式系統(tǒng)中，可能沒有磁盤。有兩條途徑可以消除對磁盤的依賴，這要看系統(tǒng)的復雜性和硬件的設(shè)計如何：

在一個簡單的系統(tǒng)中，當系統(tǒng)啟動后，內(nèi)核和所有的應(yīng)用程序都在內(nèi)存里。這是大多數(shù)傳統(tǒng)潛入式系統(tǒng)的工作模式，它同樣也被Linux支持。

有了Linux，就有了第二種可能性，因為Linux有能力加載和卸載程序，一個嵌入式系統(tǒng)可利用它來節(jié)省內(nèi)存。在一個典型的具有FlashMemory的嵌入式系統(tǒng)中，F(xiàn)lashMemory上裝有文件系統(tǒng)，所有的程序都以文件的形式存儲在Flash文件中，需要時裝入內(nèi)存。這種動態(tài)的、根據(jù)需要加載的能力是支持其他一系列功能的重要特征。

它使初始化代碼在系統(tǒng)引導后被釋放。Linux有很多內(nèi)核外運行的公用程序，這些程序通常在初始化時運行一次，以后不再運行；而且，這些公用程序可以它們共有的方式一個接一個地按順序運行。這樣，相同的內(nèi)存空間可被反復使用，以“召入”每一個程序，達到節(jié)省內(nèi)存空間的目的。

如果Linux可加載模塊的功能包括在內(nèi)核里，那么驅(qū)動程序和應(yīng)用程序就都可以被加載。它可檢查硬件環(huán)境，并且為硬件裝上相應(yīng)的軟件，這就消除了用一個程序占用很多FlashMemory來處理多種硬件所引起的復雜性。

軟件的升級更模塊化?？稍谙到y(tǒng)運行時，在Flash上升級應(yīng)用程序和可加載的驅(qū)動程序。配置信息和運行時間參數(shù)可作為數(shù)據(jù)文件存儲在Flash上。3.2.1構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟嵌入式應(yīng)用開發(fā)環(huán)境一般是由目標系統(tǒng)（硬件開發(fā)板）和宿主PC機構(gòu)成。硬件開發(fā)板用于操作系統(tǒng)和目標系統(tǒng)應(yīng)用軟件的運行；而操作系統(tǒng)內(nèi)核的編程、應(yīng)用程序的開發(fā)和調(diào)試則須借助宿主PC機完成。雙方一般通過串口建立連接通信。建立交叉開發(fā)環(huán)境

在軟件開發(fā)環(huán)境建立方面，由于uClinux及相關(guān)工具集都是開放源碼項目，所以大多數(shù)軟件都可以從網(wǎng)站上下載獲得。首先要在宿主機上安裝標準Linux發(fā)行版，比如RedHatLinux，接下來就是建立交叉開發(fā)環(huán)境。安裝交叉編譯工具

uClinux編譯工具中的交叉編譯器可對源代碼包括內(nèi)核進行編譯，以適應(yīng)不同的嵌入式應(yīng)用場合。編譯工具包中除了交叉編譯器，還有鏈接器、匯編器以及一些為了方便開發(fā)的二進制處理工具，包括生成靜態(tài)庫工具、二進制碼察看工具及二進制格式轉(zhuǎn)換工具。這些都要安裝在宿主機上。安裝uClinux內(nèi)核

利用已安裝的交叉編譯器編譯生成與運行目標機上的uClinux內(nèi)核。與標準Linux相同的是，uClinux內(nèi)核可以以配置的方式選擇需要安裝的模塊，而增加系統(tǒng)的靈活性。安裝應(yīng)用程序

用交叉編譯器編譯uC-libc和uC-libm源碼，聲稱libc.a應(yīng)用程序庫和libm.a數(shù)學庫。安裝其他工具

用GCC編譯elf2flt源碼，聲稱格式轉(zhuǎn)換工具elf2flt。用GCC編譯genromfs源碼，得到生成romfs的工具genromfs。經(jīng)過以上的準備工作之后，下面要針對特定應(yīng)用所需要的設(shè)備編寫或改造設(shè)備驅(qū)動程序。有如果用戶對系統(tǒng)實時性，特別是對硬實時有特殊要求，uClinux可以加入RT-linux的實時模塊。3.3uClinux在ARMulator的移植盡管uClinux很小，但它支持Linux2.6內(nèi)核約定的全部的特性，包括內(nèi)核優(yōu)先級特性以及許多的文件系統(tǒng)，設(shè)備驅(qū)動。為Linux約定設(shè)備驅(qū)動端口是容易實現(xiàn)的。幾乎所有的代碼不需要改變就可以編譯，除了從虛擬地址到物理的內(nèi)存鏡像外。

下面將介紹如何將uClinux2.6.5移植到基于GDB的ARMulator上。從uC站點上下載uClinux發(fā)布包

，本文以uClinux-dist.20040408.tar.gz為例。/download/linux-2.6.5-hsc2.patch.gz和/pub/linux/kernel/v2.6/linux-2.6.5.tar.bz2分別下載linux-2.6.5-hsc2.patch.gz和內(nèi)核linux2.6.5的源文件。從站點上更新的ARM-ELF工具鏈來編譯內(nèi)核，本文以arm-elf-tools-20040427.sh為例。構(gòu)造虛擬硬件環(huán)境ARMulator(ARM仿真)安裝工具鏈。以root身份登陸宿主機下的Llinux系統(tǒng)，然后在終端中進入存放工具鏈的所在目錄，然后輸入/bin/sh

arm-elf-tools-20040427.sh解壓uClinux發(fā)布包

并將linux2.6.5源文件和補丁解壓到相同目錄下。修改vendors/GDB/ARMulator目錄下面的ARMulator默認的配置文件rc

修改后內(nèi)容如下：hostnameGDB-ARMulator/bin/expand/etc/ramfs.img/dev/ram1mount-tprocproc/procmount-text2/dev/ram1/varmkdir/var/tmpmkdir/var/logmkdir/var/runmkdir/var/lockmkdir/var/emptycat/etc/m